IOP Article Azraf Jnrt Work

7/23/2019 IOP Article Azraf Jnrt Work

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A n a l y s i s o f C r y o s t a t F o r S m a l l A n g l e N e u t r o n S c a t t e r i n g a t S m a l l

R e s e a r c h T R I G A R e a c t o r B y U s i n g C o m p u t a t i o n a l F l u i d

D y n a m i c ( C F D )

A z r a f A z m a n

, S h a h r i r A b d u l l a h

, K a m a r u z z a m a n S o p i a n

, M o h d R i z a l

M a m a t @ I b r a h i m

, A n w a r A b d u l R a h m a n

, M e g a t H a r u n A l - R a s h i d M e g a t

A h m a d

, A b d u l A z i z M o h a m e d

, M u h a m m a d R a w i M o h d Z i n

1

M a l a y s i a n N u c l e a r A g e n c y , 4 3 0 0 0 B a n g i S e l a n g o r , M a l a y s i a .

2

N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f M a l a y s i a ( U K M ) , B a n g i , 4 3 0 0 0 K a j a n g , M a l a y s i a .

E - m a i l : a z r a f @ n u c l e a r m a l a y s i a . g o v . m y

A b s t r a c t . M a l a y s i a n N u c l e a r A g e n c y s ( N u c l e a r M a l a y s i a ) S m a l l A n g l e N e u t r o n S c a t t e r i n g ( S A N S ) f a c i l i t y -

( m y S A N S ) - i s u t i l i z i n g t h e l o w u x o f t h e r m a l n e u t r o n a t t h e a g e n c y s 1 M W T R I G A r e a c t o r . I t h a s b e e n u s e d

m o s t l y b y s t u d e n t s o n c e r t a i n a r e a o f p r o b l e m s t h a t r e l a t e t o s a m p l e s c o n t a i n i n g s t r o n g s c a t t e r e r s o r c o n t r a s t

f o r e d u c a t i o n a l p u r p o s e . T h e d e s i g n o f t h i s 8 m e t r e s S A N S f a c i l i t y a l l o w o b j e c t r e s o l u t i o n o n l y i n l i m i t e d Q

r a n g e w i t h t h e 2 - d i m e n s i o n a l p o s i t i o n s e n s i t i v e d e t e c t o r x e d 4 m e t r e s f r o m t h e s a m p l e . A p a r t f r o m t h a t , t h e

u x o f t h e n e u t r o n a t c u r r e n t s a m p l e h o l d e r i s o n l y a r o u n d 1 0 3 n / c m 2 / s . T h i s l i m i t s t h e p o s s i b l e b r o a d u s a g e

o f t h e i n s t r u m e n t f o r r e a l r e s e a r c h w o r k . T h e e x i s t i n g r e a c t o r h a l l h a s a l a y o u t t h a t r e s t r i c t s t h e r e b u i l d i n g

o f t h e S A N S i n s t r u m e n t t o o b t a i n w i d e r Q r a n g e . W o r k s w e r e c a r r i e d o u t u n d e r t h e C o o r d i n a t e d R e s e a r c h

P r o j e c t N o . 1 4 2 8 6 / R 0 ( 2 0 0 6 - 2 0 1 0 ) t i t l e d : I m p r o v e d P r o d u c t i o n A n d U t i l i z a t i o n O f S h o r t - P u l s e d , C o l d N e u t r o n

a t L o w M e d i u m E n e r g y S p a l l a t i o n N e u t r o n S o u r c e s t o c o n c e n t r a t e o n t h i s i s s u e o f l o w u x a n d l i m i t e d Q

r a n g e . H o w e v e r t h e c r y o s t a t t o c o n d i t i o n t h e n e u t r o n n e e d t o i m p r o v e d . T h e r e f o r , t h e t e m p e r a t u r e p r o l e o f a

c r y o g e n i c s y s t e m f o r c o o l i n g o f B e r y l l i u m l t e r o f a s m a l l - a n g l e n e u t r o n s c a t t e r i n g ( S A N S ) i n s t r u m e n t o f T R I G A

M A R K I I P U S P A T I r e s e a r c h r e a c t o r w a s i n v e s t i g a t e d u s i n g c o m p u t a t i o n a l u i d d y n a m i c s ( C F D ) m o d e l i n g a n d

s i m u l a t i o n . T h e e c i e n t c o o l i n g o f B e r y l l i u m l t e r i s i m p o r t a n t f o r o b t a i n i n g h i g h e r c o l d n e u t r o n t r a n s m i s s i o n

f o r t h e S A N S i n s t r u m e n t . T h i s p a p e r p r e s e n t s t h e t r a n s i e n t C F D r e s u l t s o f t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n s v i a t h e

t h e r m a l l i n k t o t h e b e r y l l i u m a n d s i m u l a t i o n o f h e a t u x . T h e t e m p e r a t u r e s i m u l a t i o n d a t a c o m p a r e d w i t h t h e

e x p e r i m e n t a l r e s u l t s f o r t h e c o o l i n g t i m e a n d d i s t r i b u t i o n t o t h e b e r y l l i u m .

K e y w o r d s : c r y o s t a t , n e u t r o n c o o l i n g , u e n t s i m u l a t i o n , t h e r m o d y n a m i c

P A C S n u m b e r s : 1 1

A M S c l a s s i c a t i o n s c h e m e n u m b e r s : 4 4

S u b m i t t e d t o : J . P h y s . G : N u c l . P h y s .



2 J o u r n a l o f N u c l e a r a n d R e l a t e d T e c h n o l g i e s ( J N R T )

1 . I N T R O D U C T I O N

T h e u s e a n d a p p l i c a t i o n o f c r y o g e n i c s t o r a g e u s u a l l y a s s o c i a t e s w i t h t h e c o o l i n g s y s t e m t o c o o l s a m p l e s .

T h e c r y o g e n i c s t o r a g e n a t u r a l l y t h e o b j e c t o f t h e r m a l c o n t r i b u t i o n o f t h e a m b i e n t c o n d i t i o n s w h e n t h e h e a t

i n s u l a t i o n s i s l e s s e c i e n t . I n 1 9 5 0 , 2 5 l i t e r c r y o g e n i c s t o r a g e o f l i q u i d n i t r o g e n l a s t e d o n l y 2 4 h o u r s a n d i n

1 9 9 0 i t b e c a m e n e a r l y a y e a r . F e w s t u d i e s h a v e c o n s i d e r e d i n d e t a i l t h e s e p r o b l e m s a n d m e t h o d s t o r e d u c e t h e

h e a t l e a k s o f c r y o g e n i c s t o r a g e v e s s e l s . O n e o f t h e a p p l i c a t i o n s i s f o r n e u t r o n c o n d i t i o n i n g . T h e r e a r e m a n y

m e t h o d s t o c o n d i t i o n t h e n e u t r o n s . N u c l e a r E n g i n e e r i n g T e a c h i n g L a b o r a t o r y ( N E T L ) i n T e x a s U n i v e r s i t y

u s i n g a c r y o g e n i c c r y o s t a t c o o l i n g s y s t e m t o c o n d i t i o n n e u t r o n t o t h e r e q u i r e d w a v e l e n g t h . T h e c r y o s t a t s y s t e m

c o n s i s t s o f a h e a t p i p e , a v a c u u m s y s t e m a n d a h e l i u m c r y o r e f r i g e r a t o r . T h e s y s t e m i s d e s i g n e d t o m a i n t a i n t h e

m o d e r a t i n g m a t e r i a l t o 3 0 K [ 1 ] . T h e S m a l l A n g l e N e u t r o n S c a t t e r i n g ( S A N S ) i n s t r u m e n t a t A l g e r i a n n u c l e a r

r e s e a r c h r e a c t o r , a l i q u i d n i t r o g e n c r y o s t a t i s u s e d t o c o o l t h e b i s m u t h a n d b e r y l l i u m l t e r a t 7 7 K t o i m p r o v e d i t s

e c i e n c y a n d a l s o t o s u p p r e s s t h e g a m m a a n d f a s t n e u t r o n c o m p o n e n t s [ 2 ] . L i q u i d h y d r o g e n a s t h e c o o l i n g m e d i a

f o r n e u t r o n l t e r s u c h a s b e r y l l i u m l t e r t o i m p r o v e t h e c o l d n e u t r o n f r a c t i o n u s e d i n t h e M c C l e l l a n N u c l e a r

r a d i a t i o n C e n t e r , U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a D a v i s . T h e c o l d n e u t r o n s i s t o b e u s e d f o r n e u t r o n r a d i o g r a p h y

r e s e a r c h . T h e l o w e r t h e t e m p e r a t u r e t h e b e t t e r t h e c o l d n e u t r o n t r a n s m i s s i o n t h r o u g h t h e b e r y l l i u m l t e r s .

S m a l l c h a n g e i n t h e t e m p e r a t u r e w i l l s i g n i c a n t l y r e d u c e t h e t r a n s m i s s i o n o f t h e c o l d n e u t r o n s [ 3 ] . T h e m a i n

e o r t i s m a i n t a i n i n g t h e c r y o g e n i c m e d i a o r l i q u i d f r o m r a p i d e v a p o r a t i o n o r h e a t i n g . T h e i n t e r a c t i o n o f n e u t r o n

w i t h t h e m o d e r a t o r i n d u c e s h e a t g e n e r a t i o n w i t h i n t h e m o d e r a t o r . F r o m t h e h e a t t r a n s f e r p e r s p e c t i v e , t h i s h e a t

g e n e r a t i o n c a n b e c o n s i d e r e d a s h e a t s o u r c e [ 4 ] . I n t h i s p a p e r , t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o b t a i n e d o n t e m p e r a t u r e

p r o l i n g o f b e r y l l i u m c o n c e r n i n g h e a t t r a n s f e r w i l l b e p r e s e n t e d a n d c o m p a r e d w i t h s i m u l a t e d r e s u l t s u s i n g

F l u e n t i n d u s t r i a l c o d e .

2 . N E U T R O N B E A M C O N D I T I O N I N G

T h e R e a k t o r T R I G A P U S P A T I a t t h e M a l a y s i a n N u c l e a r A g e n c y i s a 1 M W r e s e a r c h r e a c t o r . I t h a s f o u r

n e u t r o n b e a m p o r t s a n d o n e b e a m p o r t i s d e d i c a t e d t o a s m a l l - a n g l e n e u t r o n s c a t t e r i n g ( S A N S ) i n s t r u m e n t .

T h e S A N S i n s t r u m e n t i s o f 8 m e t e r l o n g w i t h a Q r a n g e o f a b o u t 0 . 0 1 3 - 0 . 1 Å - 1 . T h e t h e r m a l n e u t r o n f r o m

t h e b e a m p o r t i s r s t l t e r e d u s i n g p o l y c r y s t a l l i n e b e r y l l i u m b e f o r e m o n o c h r o m a t i c n e u t r o n o f 5 Å r e e c t e d t o

t h e S A N S s e t u p u s i n g H O P G . T h e f u n c t i o n o f a b e r y l l i u m l t e r i s t o t r a n s m i t o n l y c o l d n e u t r o n o f w a v e l e n g t h

h i g h e r t h a n 4 Å . T h e l t e r d i r a c t e d m o s t o f t h e n e u t r o n w a v e l e n g t h t h a t i s l o w e r t h a n 2 d w i t h d t h e l a r g e s t

d - s p a c i n g t h a t c a n s c a t t e r n e u t r o n f o r t h e m a t e r i a l . I n t h e c a s e o f b e r y l l i u m , d i s 3 . 9 6 Å . T h e n e u t r o n s f r o m t h e

g r a p h i t e r e e c t o r t r a n s m i t t e d v i a t h i s b e a m - t u b e ( b e a m - t u b e # 4 ) i s c o n d i t i o n e d f o r w a v e l e n g t h 4 . 5 Å o r h i g h e r

i n o r d e r t o b e s u i t e d w i t h t h e s e t - u p o f t h e S A N S i n s t r u m e n t . O n e o f t h e t e c h n i q u e s u s e d t o l t e r n e u t r o n s

t o a d e s i r e w a v e l e n g t h i s b y c o o l i n g p o l y c r y s t a l l i n e b e r y l l i u m a t l i q u i d n i t r o g e n t e m p e r a t u r e 7 7 K t o r e d u c e t h e

d i u s e s c a t t e r i n g d u e t o p h o n o n e x c i t a t i o n a n d i n c r e a s e t h e t r a n s m i s s i o n o f 4 . 9 Å o r h i g h e r w a v e l e n g t h [ 5 ] .

O n t h e o t h e r h a n d , t h e c o o l e d b e r y l l i u m a l s o c o u l d i m p r o v e t h e n e u t r o n u x e s o f h i g h e r w a v e l e n g t h n e u t r o n .

I d e a l l y , t h e b e r y l l i u m t e m p e r a t u r e s h o u l d b e c o n s t a n t d u r i n g S A N S e x p e r i m e n t . I t w a s r e p o r t e d t h a t , b e r y l l i u m

l t e r s u p p r e s s e s t h e r m a l n e u t r o n s o f w a v e l e n g t h l e s s t h a n 0 . 3 9 6 n m a t 7 7 K [ 6 ] .

S o m e a u t h o r s h a v e s h o w n t h a t , t h e t r a n s m i s s i o n o f c o l d n e u t r o n c a n b e m a x i m i z e d u p t o 1 0 0 % s i n c e u n -

d e r t h i s t e m p e r a t u r e t h e s c a t t e r i n g c r o s s s e c t i o n f a l l s t o 0 . 0 5 b a r n s . A t t h i s t e m p e r a t u r e , t h e r e w i l l b e n o l o s s

o f c o l d n e u t r o n s d u r i n g t r a n s m i s s i o n t h r o u g h t h e b e r y l l i u m b a r a s e v e n a s l o n g a s 7 5 c m p a t h [ 7 ] . A c r y o g e n i c

c r y o s t a t i s u s e d t o c o o l t h e b e r y l l i u m l t e r . T h e c r y o s t a t i s p l a c e i n t h e b i o l o g i c a l s h i e l d i n g c l o s e t o t h e b e a m

t u b e # 4 . H o w e v e r , t h e c r y o s t a t n e e d s t o b e a n a l y z e d t o e n h a n c e t h e c a p a b i l i t y o f t h e c r y o s t a t i n r e d u c i n g

t h e h e a t l e a k s o f c r y o g e n i c s s t o r a g e v e s s e l o r c r y o s t a t [ 8 ] . F i g u r e 1 i s t h e b i r d e y e v i e w p e r s p e c t i v e o f t h e

e x p e r i m e n t a l s e t - u p t h a t s h o w s t h e c o o l e d b e r y l l i u m a n d t h e n e u t r o n o p t i c o f S A N S i n s t r u m e n t a t b e a m t u b e

# 4 o f T R I G A M A R K I I P U S P A T I r e a c t o r .

3 . D I S C R I P T I O N O F A P P A R A T U S

T h e l t e r a s s e m b l y i s c o m p r i s e d o f 4 x 4 r e c t a n g u l a r b a r p o l y c r y s t a l l i n e b e r y l l i u m w i t h t h e d i m e n s i o n o f 3 c m x

3 c m x 1 5 c m e a c h , t h i s m a d e u p a p i g e o n h o l e m e s h w i t h t h e g a p 0 . 1 c m o f c a d m i u m s h e e t . T h e d e s i g n e n s u r e s

a s m a l l c r o s s s e c t i o n a l a r e a r e l a t i v e t o t h e l e n g t h o f e a c h b a r , w h i c h m a k e s i t a n e e c t i v e n e u t r o n l t e r f o r t h e

a b s o r p t i o n o f h i g h l y s c a t t e r e d n e u t r o n s , t h e r e f o r e r e s u l t s i n a l a r g e s u r f a c e a r e a , s u c i e n t t o c o v e r t h e e n t i r e

n e u t r o n b e a m . I t i s c o o l e d b y a t h e r m a l l i n k t o a l i q u i d n i t r o g e n t a n k a n d i s i n s e r t e d i n a c r y o s t a t c h a m b e r .

H o w e v e r , a c c o r d i n g t o [ 9 ] t o i n c r e a s e t h e i n s u l a t i o n e c i e n c y , c r y o s t a t c h a m b e r s h o u l d b e v a c u u m - u p t o 1 0 - 8

t o r r . I n t h i s p a p e r , t h e d e s i g n o f t h e c r y o g e n i c s y s t e m a n d i t s p e r f o r m a n c e f o r c o o l i n g t h e b e r y l l i u m h a s b e e n

s t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y a n d c o m p a r e d w i t h t h e n u m e r i c a l d a t a . F i g u r e 2 b e l o w i s t h e g e o m e t r i c a l m o d e l o f t h e

c r y o s t a t .



J o u r n a l o f N u c l e a r a n d R e l a t e d T e c h n o l g i e s ( J N R T ) 3

F i g u r e 1 . T o p v i e w o f S A N S c o l l i m a t i o n s y s t e m

F i g u r e 2 . ( a ) G e o m e t r i c a l m o d e l o f c r y o s t a t , ( b ) L o c a t i o n o f t h e r m o c o u p l e

4 . N U M E R I C A L A N A L Y S I S

4 . 1 . F l u e n t c o d e d e s c r i p t i o n

A n i n d u s t r i a l p a c k a g e p r o g r a m , F l u e n t i s u s e d i n t h i s s t u d y . I n t h i s s t u d y , F l u e n t c o d e s e n a b l e s t h e s i m u l a t i o n

a n d c a l c u l a t i o n o f u i d o w s f o r d y n a m i c a n d t h e r m a l r e g i m e . F i n i t e v o l u m e m e t h o d i s u s e d t o d i s c r e t i z e t h e

N a v i e r - S t o k e s e q u a t i o n s . T h e r e f o r e , m a s s b a l a n c e a n d m o m e n t u m e q u a t i o n s a r e c o u p l e d t h r o u g h t h e S I M P L E

( s e m i i m p l i c i t m e t h o d f o r p r e s s u r e l i n k e q u a t i o n ) a l g o r i t h m . T h e S I M P L E a l g o r i t h m i s b a s e d o n t h e p r e d i c t o r -

c o r r e c t o r s t e p s .

4 . 2 . C r y o s t a t m o d e l l i n g

T h e t w o d i m e n s i o n a l m e s h m o d e l w a s p r e p a r e d u s i n g G a m b i t s o f t w a r e . I n t h e c a s e o f c r y o s t a t s d e s i g n , s i m p l e

a s s u m p t i o n h a v e t o b e a c c e p t e d b e c a u s e m a n y o f t h e r e l e v a n t p h y s i c a l p a r a m e t e r s a r e n o t a v a i l a b l e [ 1 0 ] . a n d a

c o m p l e t e m o d e l w a s r e a d i n t o F l u e n t n i t e v o l u m e c o m p u t e r p r o g r a m . T h e T e t / h y b r i d m e s h w a s u s e d i n t h i s

s t u d y . A r e n e d m e s h w a s u t i l i z e d f o r t h e B e b l o c k s a n d t h e a l u m i n i u m b r a c k e t s , t h i s e n a b l i n g m o r e a c c u r a t e

t e m p e r a t u r e g r a d i e n t s t o b e d e t e r m i n e d w i t h i n t h e l i q u i d n i t r o g e n t a n k a n d t h e a l u m i n i u m b r a c k e t s . T h e m e s h




s i z e f o r e a c h d o m a i n i s s h o w n i n T a b l e 1 .

T a b l e 1 . M E S H I N G D O M A I N S F O R C R Y O S T A T

D o m a i n s M e s h s i z e ( m m ) M e s h M a p

L i q u i d 0 . 0 0 2 5 Q u a d S u b m a p

S o l i d

T a n k W a l l 0 . 0 0 2 5 T r i P a v e

A l u m i n i u m b r a c k e t

B e r y l l i u m 0 . 0 0 1 Q u a d S u b m a p

C a d m i u m 0 . 0 0 1 Q u a d S u b m a p M a p

0 . 0 0 1 Q u a d

T a b l e 2 . B O U N D A R Y C O N D I T I O N F O R C R Y O S T A T

B o u n d a r y I n i t i a l T e m p e r a t u r e ( K ) I n i t i a l P r e s s u r e ( P a )

L i q u i d N i t r o g e n 7 7 1 0 1 3 2 5

S o l i d

T a n k W a l l 3 0 0 1 0 1 3 2 5

A l u m i n i u m b r a c k e t 3 0 0 1 0 1 3 2 5

B e r y l l i u m 3 0 0 1 0 1 3 2 5

C a d m i u m 3 0 0 1 0 1 3 2 5

T a b l e 3 .

C O N T I N U U M Z O N E P A R A M E T E R

Z o n e B o u n d a r y C o n d i t i o n P a r a m e t e r

T e m p e r a t u r e ( K ) H y d r a u l i c D i a m e t e r ( m ) T e r b u l a n c e I n t e n s i t y ( % )

B o u n d a r y E n e r g y S o u r c e T h e r m a l H e a t

C o n d i t i o n T e r m s ( w / m 3 ) F l u x ( w / m 2 )

O u t l e t 3 0 0 0 . 0 0 7 1 0 P r e s s u r e o u t l e t - -

W a l l - - - W a l l - 0

C a d m i u m - - - - 3 5 . 1 2 -

T h e b o u n d a r y a n d c o n t i n u u m z o n e s a r e t h e n s p e c i e d a s s h o w n i n T a b l e 2 a n d T a b l e 3 . T h e k - t u r b u l e n t

m o d e l i s s e l e c t e d f o r t h e l i q u i d o w a n d t h e c o n j u g a t e h e a t t r a n s f e r m o d e i s a p p l i e d . T h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s

s p e c i e d a r e i n l e t m a s s o w r a t e , p r e s s u r e o u t l e t , t h e c o u p l e i n t e r f a c e b e t w e e n l i q u i d a n d s o l i d d o m a i n . T h e

l i q u i d n i t r o g e n t e m p e r a t u r e w a s s e t t o 7 7 . 3 6 K a n d t h e s o l i d d o m a i n w a s s e t a t 3 0 3 K . S i m u l a t i o n r u n s i n a n

u n s t e a d y ( t r a n s i e n t ) m o d e .

5 . E X P E R I M E N T A L S E T U P

T h e r e a r e t w o t h e r m o c o u p l e t y p e - T u s e d t o m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e , t h e y w e r e t h e r m a l l y a t t a c h e d t o t h e

b e r y l l i u m b a r a s s h o w n b y t h e p h o t o g r a p h i n F i g u r e 2 . T h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e r m o c o u p l e P 1 x a n d P 2 x i s

a b o u t 6 c m . T h e a l u m i n u m b r a c k e t w a s u s e d t o c o u p l e t h e b e r y l l i u m a s s e m b l y t o t h e b o t t o m o f c r y o g e n i c t a n k .

A L a b V I E W d a t a l o g g e r w a s u s e d t o r e c o r d t h e t h e r m o c o u p l e d a t a c o m p u t a t i o n a l l y u n d e r t h e w i n d o w s 2 0 0 0

o p e r a t i n g s y s t e m .

T h e c r y o s t a t c h a m b e r i s t h e n v a c u u m u s i n g t h e t u r b o m o l e c u l a r p u m p a t p r e s s u r e m a g n i t u d e a b o u t 1 0 - 3

t o r r . A t t a c h t o t h e c r y o s t a t i s t h e i n c o m i n g t u b e f r o m t h e l i q u i d n i t r o g e n d e w a r l l e d w i t h l i q u i d n i t r o g e n .

T h e l i q u i d n i t r o g e n i s t h e n p u m p e d i n t o t h e c r y o g e n i c t a n k u s i n g t h e m o t o r i z e p u m p . T h e o w o f t h e l i q u i d

n i t r o g e n f r o m t h e d e w a r t o t h e c r y o g e n i c t a n k i s c o n t r o l l e d m a n u a l l y u s i n g t h e b a l l v a l v e . M a s s o w r a t e o f t h e

l i q u i d m a i n t a i n e d a t 0 . 0 3 6 k g / s . F i g u r e 3 s h o w s t h e l a y o u t o f t h e e x p e r i m e n t a l s e t - u p . T h e t e m p e r a t u r e s f r o m

t h e r m o c o u p l e s h a v e b e e n r e c o r d e d i n - s i t u w i t h t h e p r e s e n c e o f n e u t r o n s f r o m t h e r e a c t o r . T h e n e u t r o n s o u r c e

a t 7 5 0 K W t h e r m a l p o w e r a t t h e b e a m t u b e # 4 o f T R I G A M A R K I I P U S P A T I r e s e a r c h r e a c t o r w a s u t i l i z e d .




B e f o r e e x p e r i m e n t , t h e c r y o g e n i c t a n k h a s b e e n i n s t a l l e d i n t h e b i o l o g i c a l s h i e l d i n g e n c l o s u r e w i t h t h e f r o n t

s u r f a c e o f t h e b e r y l l i u m b a r f a c i n g t h e b e a m t u b e a n d t h e b a c k s u r f a c e l o o k i n g a t t h e h i g h l y o r i e n t e d p y r o l i t i c

g r a p h i t e m o n o c h r o m a t o r .

F i g u r e 3 . S c h e m a t i c l a y o u t o f e x p e r i m e n t a l s e t - u p

6 . D I S C U S S I O N

T h e s i m u l a t i o n i t e r a t i o n c o n v e r g e s a n d t h e i t e r a t i o n s t o p s a f t e r 1 4 4 0 0 t i m e s t e p s . T h e t e m p e r a t u r e p r o l e s

w e r e o b t a i n e d a l o n g t h e b e r y l l i u m b l o c k s . E x p e r i m e n t a l d a t a w e r e c o l l e c t e d f o r 2 4 0 m i n u t e s a n d t h e r e s u l t s

w e r e c o m p a r e d w i t h s i m u l a t i o n . F i g u r e 4 b e l o w s h o w s t h e t e m p e r a t u r e p r o l e f o r b e r y l l i u m b l o c k s .

F i g u r e 4 . T e m p e r a t u r e p r o l e f o r b e r y l l i u m

F i g u r e 4 s h o w s t h a t t h e d e c r e a s e o f t e m p e r a t u r e a t b e r y l l i u m d u r i n g t h e c o o l i n g p r o c e s s . H o w e v e r , t h e d i e r e n c e

i s 2 1 % b e t w e e n s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a l d a t a . T h e a c h i e v a b l e t e m p e r a t u r e a f t e r 2 4 0 m i n u t e s i s 7 7 . 3 6 K a n d




F i g u r e 5 . 2 D T e m p e r a t u r e p r o l e a t : ( a ) 3 0 m i n ; ( b ) 6 0 m i n

1 0 5 K f o r s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t r e s p e c t i v e l y . I n F i g u r e 5 s h o w s t h e c o o l i n g p r o l e o f b e r y l l i u m d u r i n g t h e

s i m u l a t i o n p r o c e s s . T h e r e w e r e s i g n i c a n c e c h a n g e s o f t e m p e r a t u r e f r o m 3 0 m i n u t e t o 6 0 m i n u t e s . I t s h o w s t h a t

t h e c o o l i n g p r o c e s s c o n d u c t e d h e a t v e r t i c a l l y d u e t o s i n g l e p l a n e c o o l i n g e e c t . H o w e v e r , t h e r e a r e i n s t a b i l i t y

o f t h e t e m p e r a t u r e f r o m 1 4 0 m i n u t e s t o 1 8 0 m i n u t e s d u e t o d e c r e a s e o f t h e l i q u i d n i t r o g e n t a n k a n d i t s t a b i l i z e

a f t e r t h e l i q u i d n i t r o g e n i s t o p - u p o r l l .

F i g u r e 6 . S i m u l a t e d d a t a f o r h e a t u x a n d g a s m a s s

F i g u r e 6 s h o w s t h a t d u r i n g t h e c o o l i n g p r o c e s s , t h e h e a t u x a n d g a s m a s s o f t h e l i q u i d n i t r o g e n e x p o n e n t i a l l y

d e c r e a s e . T h e r e f o r e , t h e l i q u i d v o l u m e f r a c t i o n c o n t e n t i n c r e a s e . T h e i n c r e a s e i n l i q u i d f r a c t i o n w i l l s u s t a i n t h e

c o o l i n g o f t h e b e r y l l i u m i n t h e c r y o s t a t .




7 . C O N C L U S I O N

A n e x p e r i m e n t a l s t u d y i s p e r f o r m e d a n d n u m e r i c a l r e s u l t s a r e o b t a i n e d f r o m s i m u l a t i o n w i t h a n i n d u s t r i a l c o d e ,

F l u e n t f o r a n i t r o g e n c r y o s t a t . E x p e r i m e n t a l a n d s i m u l a t e d r e s u l t s c o n c e r n i n g t h e t e m p e r a t u r e p r o l e , h e a t u x

a n d g a s m a s s i s p r e s e n t e d . T h i s s t u d y s h o w s t h e a g r e e m e n t b e t w e e n t h e e x p e r i m e n t a l a n d s i m u l a t e d r e s u l t s

f o r t h e t e m p e r a t u r e p r o l e . T h e r e i s a d e c r e a s e o f t e m p e r a t u r e p r o l e f o r b e r y l l i u m d u r i n g t h e c o o l i n g p r o c e s s

f r o m t h e s i m u l a t i o n r e s u l t . F r o m o b s e r v a t i o n t h e h e a t u x a n d g a s m a s s i s i n g o o d a g r e e m e n t , i t s h o w s t h a t t h e

g a s m a s s d e c r e a s e o v e r t i m e w h e n t h e h e a t u x i s d e c r e a s e d . T h e s e d e m o n s t r a t e t h e g o o d c h o i c e o f t h e c o d e

a n d a c o r r e c t m o d e l i s a t i o n . T h e r e f o r e , t h e c r y o s t a t n e e d t o b e i m p r o v e i n o r d e r t o h a v e b e t t e r h e a t t r a n s f e r t o

t h e b e r y l l i u m l t e r s .

8 . A C K N O W L E D G M E N T

M a n y t h a n k s t o a l l i n v o l v e d i n c a r r y i n g o u t t h i s w o r k .

9 . R E F E R E N C E S

[ 1 ] . K E N A N U N L U , C a r l o s R i o s - M a r t i n e z , B e r n a r d W . W e h r i n g , 1 9 9 4 . T h e u n i v e r s i t y o f T e x a s C o l d

N e u t r o n S o u r c e . N u c l e a r I n s t r u m e n t s & M e t h o d s i n P h y s i c s R e s e a r c h A , 3 5 3 , 3 9 7 - 4 0 1 . A L L E K , M . , M E F T A H ,

B . , G U E D I O U R A , B . , 2 0 0 4 . I m p r o v e m e n t o f p e r f o r m a n c e s o f t h e s m a l l a n g l e n e u t r o n s c a t t e r i n g a t N U R

r e a c t o r . N u c l e a r I n s t r u m e n t s a n d M e t h o d s i n P h y s i c s R e s e a r c h A , 5 2 5 , 5 6 0 - 5 6 5 .

[ 2 ] . A S W A L , V . K . , G O Y A L , P . S . , 2 0 0 0 . S m a l A n g l e N e u t r o n S c a t t e r i n g D i r a c t o m e t e r a t D h r u v a

R e a c t o r . C u r r e n t S c i e n c e V o l . 7 9 , n o . 7 .

[ 3 ] . Q U A C H , D . , A L D R E D G E , R . C . , L I U , H . B . , R I C H A R D S , W . J . , T h e r m a l D e s i g n S t u d y o f a L i q u i d

h y d r o g e n - c o o l e d c o l d - n e u t r o n s o u r c e . 2 0 0 7 , A p p l i e d t h e r m a l E n g i n e e r i n g 2 7 , 1 8 1 7 - 1 8 2 2 .

[ 4 ] . C H O W D H U R I , Z . A b s o l u t e N e u t r o n M e a s u r e m e n t s i n N e u t r o n D e c a y . P h . D . d i s s e r t a t i o n , D e p t . O f

P h y s i c , I n d i a n a U n i v e r s i t y . 2 0 0 0 .

[ 5 ] . S U F I , M . A . M . , R A D I M A N , S . , W I E D E N M A N N , A . & M O R T E N S E N , K . 1 9 9 7 . P e r f o r m a n c e o f

a N e w S m a l l - A n g l e N e u t r o n S c a t t e r i n g I n s t r u m e n t a t t h e M a l a y s i a n T R I G A R e a c t o r . J o u r n a l o f A p p l i e d

C r y s t a l l o g r a p h y , 3 0 , 8 8 4 - 8 8 8

[ 6 ] . W H I T T E M O R E , W . L . & N I R - E L , Y . Y E A R . C o l d N e u t r o n s F o r N e u t r o n R a d i o g r a p h y . I n : P r o c .

W C N R - 3 , 1 9 8 9 . K L U W E R A c a d e m i c P u b l i s h e r s , 1 4 5 - 1 5 7

[ 7 ] . B O U K E F F A , D . , B O U M A Z A , M . , F R A N C O I S , M . X . & P E L L E R I N , S . 2 0 0 1 . E x p e r i m e n t a l a n d

n u m e r i c a l a n a l y s i s o f h e a t l o s s e s i n a l i q u i d n i t r o g e n c r y o s t a t . A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e r i n g , 2 1 , 9 6 7 - 9 7 5

[ 8 ] . K H E M I S , O . , B E S S A Ï H , R . , A I T A L I , M . & F R A N Ç O I S , M . X . 2 0 0 4 . M e a s u r e m e n t o f h e a t t r a n s f e r s

i n c r y o g e n i c t a n k w i t h s e v e r a l c o n g u r a t i o n s . A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e r i n g , 2 4 , 2 2 3 3 - 2 2 4 1

[ 9 ] . H A N Z E L K A . P . N u m e r i c a l m o d e l l i n g i n c r y o s t a t d e s i g n : m e t h o d s a n d e x p e r i m e n t a l v e r i c a t i o n ,

C r y o g e n i c s , V o l . 3 3 , n . 4 , p p . 4 5 4 - 4 5 8 , 1 9 9 3 .

[ 1 0 ] . U s e r s g u i d e a n d t u t o r i a l g u i d e , F l u e n t 6 . 2 . F l u e n t I n c . 2 0 0 6 .

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